傅亮奇,熊 銳,張 寧,鐘凱弦
(廣東工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,廣東 廣州 510006)
車輛的道路行駛環(huán)境非常復(fù)雜,其中坡道是最常見的工況之一。如果單純地采用基于平坦路面和穩(wěn)定工況下制定的換檔策略,汽車在坡道工況行駛過程中,會(huì)出現(xiàn)大量的循環(huán)換檔以及意外換檔情況。目前國(guó)內(nèi)對(duì)坡道換檔規(guī)律的研究偏重于基本道路工況,較少考慮駕駛員意圖[1],對(duì)如何精確地制定坡道換檔策略的研究相對(duì)較少。本文基于模糊控制算法,結(jié)合道路坡度值以及駕駛員意圖[2],分別對(duì)車輛在上、下坡工況下的換檔時(shí)刻進(jìn)行修正,以綜合提升車輛坡道工況行駛的動(dòng)力性。
車輛在坡道行駛時(shí),受坡道阻力影響,其換檔特性與在平坦路面上行駛時(shí)具有很大的差異,同時(shí)坡道工況又分為上坡工況與下坡工況。如圖1所示,在上坡工況下,當(dāng)汽車行駛至B點(diǎn)時(shí),變速器自動(dòng)換入三檔即C點(diǎn),但由于坡道阻力的作用,使得汽車驅(qū)動(dòng)力不足,此時(shí)汽車將減速至D點(diǎn)即三檔的降檔點(diǎn),變速器將換入二檔并行駛到達(dá)A點(diǎn)。但這時(shí)汽車的行駛驅(qū)動(dòng)力大于坡道阻力,將又再次加速至B點(diǎn),循環(huán)往復(fù)。這種現(xiàn)象稱為換檔循環(huán)。
如圖2所示,車輛在某一油門開度即圖中A點(diǎn)下坡行駛,車輛因自重獲得額外的沿坡道向下的加速度,使車速越過升檔線達(dá)到B點(diǎn),此時(shí)檔位升高,車速增加,為了避免車速過快,駕駛員通常會(huì)操作制動(dòng)踏板以降低車速,車速將從C點(diǎn)降至D點(diǎn)。否則車輛會(huì)持續(xù)加速,直至升到高檔,這種非駕駛員意愿的升檔稱之為意外換檔。
圖1 上坡工況行駛檔循環(huán)示意圖
圖2 下坡工況行駛意外換檔示意圖
結(jié)合對(duì)坡道行駛特性的分析,針對(duì)坡道路況,提出了基于模糊修正的坡道換檔策略,不僅考慮車輛發(fā)動(dòng)機(jī)工況與車速變化等常見因素[3],而且結(jié)合坡度和駕駛員意圖,對(duì)換檔時(shí)刻進(jìn)行修正,從而保證車輛能夠根據(jù)實(shí)際情況實(shí)時(shí)對(duì)檔位進(jìn)行調(diào)整,保證車輛在坡道上安全且穩(wěn)定地行駛。
對(duì)升檔點(diǎn)的修正:
對(duì)降檔點(diǎn)的修正:
其中:un,un-1為n檔的原始升、降檔車速;u′n,u′n-1為修正后的n檔升、降檔車速;Δun為n檔換檔時(shí)刻修正量;k1為上坡工況換檔時(shí)刻修正系數(shù)。
對(duì)升檔點(diǎn)的修正:
對(duì)降檔點(diǎn)的修正:
其中:k2為下坡工況換檔時(shí)刻修正系數(shù)。
本文所設(shè)計(jì)的換檔規(guī)律是在以車速和油門開度為基礎(chǔ)制定的二參數(shù)換檔規(guī)律的基礎(chǔ)上,增加不同的行駛環(huán)境因素與駕駛員意圖,利用豐富的駕駛員經(jīng)驗(yàn)總結(jié)[4],通過模糊推理,對(duì)基本的二參數(shù)換檔規(guī)律(如圖3所示)進(jìn)行換檔時(shí)刻修正,輸出更加準(zhǔn)確穩(wěn)定的檔位。模糊修正換檔規(guī)律原理圖如圖4所示。
圖3 基本二參數(shù)最佳動(dòng)力性換檔曲線
圖4 模糊修正換檔規(guī)律原理圖
針對(duì)坡道行駛工況,本文設(shè)計(jì)的模糊換檔控制器分為兩個(gè)模塊,分別對(duì)上坡路況和下坡路況的換檔時(shí)刻進(jìn)行控制。定義模糊輸入變量道路坡度i的論域?yàn)椋?,15],模糊集為[VB B LB M LS S VS]。油門開度與制動(dòng)強(qiáng)度的變化輸入范圍均為[0,100],模糊集為[VB B LB M LS S VS]。輸出變量為換檔時(shí)刻修正系數(shù)k1與k2,論域?yàn)椋?,1],量化論域?yàn)椋?,14],模糊集為[VB B LB M LS S VS]。兩個(gè)控制模塊的主要區(qū)別在于控制器的規(guī)則。確定好模糊規(guī)則后,需設(shè)定模糊子集的隸屬度函數(shù)的形狀與位置[5],本文采用高斯函數(shù)作為隸屬度函數(shù)[6]。上、下坡工況換檔模糊修正曲面如圖5、圖6所示。
圖5 上坡工況換檔模糊修正曲面
圖6 下坡工況換檔模糊修正曲面
為了定性地研究本文所設(shè)計(jì)的換檔控制的有效性,對(duì)其進(jìn)行信真分析。首先對(duì)汽車的傳動(dòng)系統(tǒng)做了相應(yīng)的簡(jiǎn)化,以保證車輛的常規(guī)動(dòng)態(tài)性能。采用MATLAB/Simulink軟件對(duì)車輛傳動(dòng)系進(jìn)行建模,模型主要由5個(gè)部件組成:整車、發(fā)動(dòng)機(jī)、驅(qū)動(dòng)副、變矩器及減速箱。將各部件當(dāng)做多剛體系統(tǒng),忽略傳動(dòng)系部件的彈性阻尼,除傳動(dòng)軸之外,其余部件都以集中質(zhì)量的形式代替[7]。仿真試驗(yàn)中仿真模型的主要參數(shù)如表1所示。
表1 仿真模型的主要參數(shù)
對(duì)基于動(dòng)態(tài)的模糊修正換檔策略和二參數(shù)換檔策略分別進(jìn)行坡道行駛換檔仿真試驗(yàn)。設(shè)定仿真時(shí)長(zhǎng)為150s,模擬坡度為5°~6°路況,仿真得到二參數(shù)與模糊修正換檔規(guī)律上、下坡的換檔時(shí)刻圖,如圖7、圖8所示。
由圖7可以看得出,所采用的模糊換檔修正方法能夠通過駕駛員意圖及坡道坡度對(duì)換檔時(shí)刻進(jìn)行修正,降低了換檔頻率,對(duì)換檔循環(huán)有一定的抑制作用。由圖8可以看出,采用模糊換檔修正方法后升檔點(diǎn)有所改善,避免了過多的意外升檔,并且降檔點(diǎn)相應(yīng)地有所提前,較好地利用了低檔位時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)牽引作用實(shí)現(xiàn)制動(dòng)。
圖7 上坡工況下二參數(shù)與模糊修正控制規(guī)律換檔時(shí)刻圖
圖8 下坡工況下二參數(shù)與模糊修正控制規(guī)律換檔時(shí)刻圖
研究分析了通過傳統(tǒng)基本二參數(shù)換檔規(guī)律控制的車輛在坡道行駛情況下,易產(chǎn)生換檔循環(huán)和意外換檔等問題,通過結(jié)合駕駛員意圖,提出換檔時(shí)刻修正的方法。分別設(shè)計(jì)基于模糊修正的上、下坡控制決策單元,采用模糊算法對(duì)基本坡道換檔時(shí)刻進(jìn)行修正。利用仿真分析,驗(yàn)證了基于模糊修正的AT車輛坡道換檔策略的可行性和有效性。
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